一種利用壓電加速度傳感器的滑坡監(jiān)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于地質(zhì)災(zāi)害防控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種滑坡監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是一個多山國家，山地災(zāi)害頻繁發(fā)生，給國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，特別是山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展 造成了嚴(yán)重影響。據(jù)估計(jì)，每年因崩塌、滑坡、泥石流等災(zāi)害所造成的直接經(jīng)濟(jì)損失約200億 元人民幣，間接損失更是難以估量?；聻?zāi)害已成為僅次于地震的第二大地質(zhì)災(zāi)害。從1983 年3月7日著名的灑勒山滑坡奪去227人的生命，到1985年長江三峽新灘鎮(zhèn)滑坡在基于長達(dá)9 年多的監(jiān)測工作而成功預(yù)報(bào)，確保鎮(zhèn)上1371人的生命安全。由此既說明滑坡災(zāi)害的危害嚴(yán) 重，又表明滑坡預(yù)測預(yù)報(bào)的重要、可行。
[0003] 國內(nèi)方面雖然起步較晚，但經(jīng)過10余年的經(jīng)驗(yàn)積累也取得了一些成績。目前國內(nèi) 對于滑坡監(jiān)測的手段主要有宏觀簡易地質(zhì)監(jiān)測法、大地精密測量法等。宏觀簡易地質(zhì)監(jiān)測 法即對地面裂隙、泉水動態(tài)、房屋裂縫等進(jìn)行定期觀測，了解滑坡所處狀態(tài)。該方法雖然獲 取的信息直觀、方法簡單，但存在精度較低、人力物力投入過大等缺點(diǎn)。大地精密測量法即 采用高精度測量儀器，如水準(zhǔn)儀、測斜儀、全站儀等，觀測滑坡各點(diǎn)的變形、位移情況，該方 法的精度高，但缺點(diǎn)是受到地形條件和氣象條件的限制、工作量大、周期長。
[0004] 目前，國內(nèi)滑坡監(jiān)測參數(shù)主要是滑坡移動的位移、方向及速度。大量研究表明，滑 坡進(jìn)入加速變形階段是發(fā)生滑坡災(zāi)害的前提，而且滑坡的穩(wěn)定性狀況與其變形階段有著直 接的聯(lián)系，準(zhǔn)確地把握滑坡的變形演化階段是進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性評價和滑坡預(yù)測預(yù)報(bào)的基 礎(chǔ)。根據(jù)加速度的變化可以將滑坡分成三個階段:初始變形階段、等速變形階段、加速變形 階段，且滑坡失穩(wěn)發(fā)生在加速變形階段的臨滑時期。如果能夠準(zhǔn)確監(jiān)測到滑坡變形的加速 度變化，對于預(yù)報(bào)滑坡災(zāi)害有著重要的意義。
[0005] 中國專利文獻(xiàn)CN 102509420 B于2014年1月1日公開了一種基于臨滑區(qū)變形信息 的滑坡預(yù)報(bào)方法，該方法根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和滑坡災(zāi)害的蠕變規(guī)律和機(jī)理，提出了臨近滑 坡但未滑落部位（臨滑區(qū)）邊坡蠕變曲線和變形發(fā)展四個階段，推導(dǎo)了臨滑區(qū)邊坡變形、速 率、加速度曲線方程及基于臨滑區(qū)變形信息的滑坡預(yù)報(bào)時間模型，并建立了基于臨滑區(qū)變 形信息的Verhulst灰色模型以確定該滑坡預(yù)報(bào)時間模型中的參數(shù)。該方法存在以下問題： 1、該方法所測數(shù)據(jù)為地表位移，沒有測試滑坡深部數(shù)據(jù);2、該方法滑坡預(yù)報(bào)的指標(biāo)性參數(shù) 是通過方程計(jì)算得到的，與實(shí)際參數(shù)存在一定的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有滑坡災(zāi)變監(jiān)測方法存在的問題，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是提供一種 利用壓電加速度傳感器的滑坡監(jiān)測方法，它以滑動加速度作為滑坡監(jiān)測的參數(shù)，能為滑坡 預(yù)報(bào)提供定量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報(bào)警。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，它包括有以下步驟：
[0008] 步驟1、在各監(jiān)測點(diǎn)處垂直于邊坡主滑方向上鉆孔，將壓電加速度傳感器插入到孔 內(nèi)，并固定在滑坡基巖上，將輸出線引出并灌漿將鉆孔封?。?br>[0009] 步驟2、依據(jù)測得的壓電加速度傳感器的電荷Q，由Q = d33Ma獲得邊坡滑動加速度a， 其中，d33為壓電常數(shù)，Μ為壓電加速度傳感器的質(zhì)量；
[0010] 步驟3、根據(jù)邊坡變形的加速四個階段：
[0011] 第一階段為初始變形階段，加速度先是大于0后又小于0;
[0012] 第二階段為等速變形階段，加速度基本等于0或者在0上下波動；
[0013] 第三階段為加速變形階段，加速度開始大于0;
[0014] 第四階段為臨滑階段，加速度驟然增加；
[0015] 判定邊坡滑動所處的階段，在加速度a出現(xiàn)驟然增加并達(dá)到預(yù)設(shè)值時，開始預(yù)警。
[0016] 本發(fā)明通過壓電加速度傳感器獲得邊坡滑動加速度a，根據(jù)滑動加速度a確定邊坡 滑動所處的狀態(tài)，并報(bào)警，為滑坡預(yù)報(bào)提供了直接相關(guān)的、能定量檢測的加速度數(shù)據(jù)，克服 了現(xiàn)有技術(shù)中使用與滑坡不直接的參數(shù)所造成的錯誤判斷，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確報(bào)警。
[0017] 所以，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn):給滑坡預(yù)報(bào)提供了直接相關(guān)的、能定量檢測的加速 度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確報(bào)警。
【附圖說明】
[0018] 本發(fā)明的【附圖說明】如下：
[0019] 圖1為本發(fā)明的壓電加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖2為滑動加速度的變化狀態(tài)圖。
[0021 ]圖中：1.鋼板基座;2.壓電加速度感應(yīng)元件;3.貫通槽;4.輸出線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0023]如圖1所示，壓電加速度傳感器包括鋼板基座1和壓電加速度感應(yīng)元件2,多個壓 電加速度感應(yīng)元件2固定在鋼板基座1上，鋼板基座1的縱向側(cè)邊有貫通槽3,壓電加速度感 應(yīng)元件2的輸出線4從貫通槽3引出。
[0024]本發(fā)明包括以下步驟：
[0025] 步驟1、在各監(jiān)測點(diǎn)處垂直于邊坡主滑方向上鉆孔，將壓電加速度傳感器插入到孔 內(nèi)，并固定在滑坡基巖上，將輸出線引出并灌漿將鉆孔封?。?br>[0026] 步驟2、檢測邊坡滑動加速度a
[0027] 假定壓電加速度傳感器的鋼板基座質(zhì)量為M，壓電加速度感應(yīng)元件的質(zhì)量為m，則 根據(jù)牛頓第二定律，壓電加速度傳感器的受力F可以由下式求得：
[0028] F= (M+m)a
[0029] 其中a是檢測邊坡的加速度。
[0030] 根據(jù)上式，可以知道壓電加速度感應(yīng)元件厚度方向（Z方向）任一截面上的力為
[0031] F=Ma+ma(l_z/d)
[0032] 其中z為任一截面的厚度，d為壓電加速度感應(yīng)元件的厚度。所以平均力為
[0033]
[0034] 因?yàn)閴弘娂铀俣雀袘?yīng)元件的極化方向在厚度方向（Z方向），作用力沿著Z方向，所 以此時壓電加速度感應(yīng)元件的外加應(yīng)力的平均值為
[0035]
[0036] 其中A為壓電加速度感應(yīng)元件電極面面積。
[0037] 枏據(jù)壓電矩陣，可以知道電荷Q為
[0038]
[0039] 瓦甲，d33是壓電芾數(shù)。
[0040] 而壓電加速度感應(yīng)元件一般是很薄的一個晶片，鋼板基座一般采用質(zhì)量大的金屬 制成，所以Μ遠(yuǎn)大于m，所以m可以忽略，即
[0041] Q = d33Ma
[0042] 由上式可知壓電加速度傳感器產(chǎn)生的電荷Q與加速度a之間的關(guān)系成正比，根據(jù)測 量電荷就能得到邊坡滑動加速度a。
[0043] 步驟3、根據(jù)"具有蠕變特點(diǎn)滑坡的加速度變化特征及臨滑預(yù)警指標(biāo)研究"，許強(qiáng)， 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，第28卷第6期，第1099~1106頁，2009年6月記載了具有蠕變特點(diǎn)的滑 坡從變形啟動到整體滑動破壞這一過程一般要經(jīng)歷初始變形、等速變形和加速變形3個階 段，且不同階段有其不同的變形特點(diǎn)，由此細(xì)分為不同的亞階段。
[0044] 如圖2所示，邊坡變形的加速分四個階段
[0045] 第一階段為初始變形階段，加速度先是大于0后又小于0;
[0046] 第二階段為等速變形階段，加速度基本等于0或者在0上下波動；
[0047]第三階段為加速變形階段，加速度開始大于0;
[0048] 第四階段為臨滑階段，加速度驟然增加；
[0049] 判定邊坡滑動所處的階段，在加速度a出現(xiàn)驟然增加并達(dá)到預(yù)設(shè)值時，開始預(yù)警。
[0050] 本發(fā)明可將壓電加速度傳感器的輸出線連接至數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將壓電加速度傳感 器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)采集，并經(jīng)轉(zhuǎn)換器后通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心再連 接至Internet;在電腦終端軟件從Internet獲得數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立及更新監(jiān)測 的加速度數(shù)據(jù)庫，轉(zhuǎn)換成監(jiān)測指標(biāo)，并判定滑坡穩(wěn)定性，當(dāng)加速度值達(dá)到預(yù)警值，表明滑坡 出現(xiàn)危險(xiǎn)并報(bào)警。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用壓電加速度傳感器的滑坡監(jiān)測方法，其特征是，包括以下步驟： 步驟1、在各監(jiān)測點(diǎn)處垂直于邊坡主滑方向上鉆孔，將壓電加速度傳感器插入到孔內(nèi)， 并固定在滑坡基巖上，將輸出線引出并灌漿將鉆孔封??； 步驟2、依據(jù)測得的壓電加速度傳感器的電荷Q，由Q = d33Ma獲得邊坡滑動加速度a，其 中，d33為壓電常數(shù)，Μ為壓電加速度傳感器的質(zhì)量； 步驟3、根據(jù)邊坡變形的加速四個階段： 第一階段為初始變形階段，加速度先是大于〇后又小于〇; 第二階段為等速變形階段，加速度基本等于〇或者在〇上下波動； 第三階段為加速變形階段，加速度開始大于〇; 第四階段為臨滑階段，加速度驟然增加； 判定邊坡滑動所處的階段，在加速度a出現(xiàn)驟然增加并達(dá)到預(yù)設(shè)值時，開始預(yù)警。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的的滑坡監(jiān)測方法，其特征是:所述壓電加速度傳感器包括鋼板 基座（1)和壓電加速度感應(yīng)元件(2 )，多個壓電加速度感應(yīng)元件(2)固定在鋼板基座（1)上， 鋼板基座（1)的縱向側(cè)邊有貫通槽(3)，壓電加速度感應(yīng)元件(2)的輸出線(4)從貫通槽(3) 引出。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用壓電加速度傳感器的滑坡監(jiān)測方法，它包括以下步驟：步驟1、設(shè)置壓電加速度傳感器；步驟2、依據(jù)測得的壓電加速度傳感器的電荷Q，由<i>Q=d</i><i>33</i><i>Ma</i>獲得邊坡滑動加速度<i>a</i>；步驟3、根據(jù)邊坡變形的加速四個階段，判定邊坡滑動所處的階段，在加速度<i>a</i>出現(xiàn)驟然增加并達(dá)到預(yù)設(shè)值時，開始預(yù)警。本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)：給滑坡預(yù)報(bào)提供了直接相關(guān)的、能定量檢測的加速度數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確報(bào)警。
【IPC分類】G08B21/10, G01P15/09
【公開號】CN105652035
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】周小平, 肖睿胤, 程浩, 畢靖, 壽云東, 王允騰
【申請人】重慶大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2016年3月17日